JPH1174575A

JPH1174575A - 積層型圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JPH1174575A
Application number: JP9233134A
Authority: JP
Inventors: Masanaga Inagaki; 正祥稲垣; Katsuhiko Onizuka; 克彦鬼塚
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-08-28
Filing date: 1997-08-28
Publication date: 1999-03-16

Abstract

(57)【要約】【課題】圧電体と板状部の中心を一致させて積層するこ
とができ、これにより、圧電板外周面からの電極部材の
連結部の突出量を充分確保でき、充分な変位量を確保で
きるとともに電極部材の破損を防止できる積層型圧電ア
クチュエータを提供する。【解決手段】積層された複数の圧電板１１と、これらの
圧電板１１よりも小さい複数の板状部１４を連結部１５
で連結してなる一対の電極部材１６とを具備するととも
に、圧電板１１間に一対の電極部材１６の板状部１４を
それぞれ交互に介装し、かつ、連結部１５を圧電板１１
外周面から０．５ｍｍ以上突出するようにアーチ状に折
曲し、さらに圧電板１１外周面に合致する形状の位置決
め部２１を連結部１５根元に形成してなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、積層型圧電アクチ
ュエータに係わり、例えば、光学装置等の精密位置決め
装置や振動防止用の駆動素子、自動車用エンジンの燃料
噴射用の駆動素子等に使用される積層型圧電アクチュエ
ータに関するものである。

【０００２】

【従来技術】従来、電歪効果を利用して大きな変位量を
得るために、圧電セラミックス板と内部電極層を交互に
積層した積層型圧電アクチュエータの構造が提案されて
いる。そして、製造コスト低減、あるいは信頼性の向上
を目的として電極取り出し部の改良が提案されている。

【０００３】例えば、特公平４−１６０２９号公報に
は、複数個の圧電板と、第１のリボン状金属板、および
第２のリボン状金属板とを備え、第１および第２のリボ
ン状金属板が折曲げられ所定の圧電板の間に挿入され、
複数個の圧電板と第１および第２のリボン状金属板とが
交互に重合積層されて積層体を形成するとともに、積層
体をケース内に収納し、ケースの内壁に第１および第２
のリボン状金属板の折曲部が挿入されるようにケースの
長手方向に沿う溝を設けた積層型圧電アクチュエータが
開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
公平４−１６０２９号公報の積層型圧電アクチュエータ
では、リボン状金属板と圧電板を積層した積層体を円筒
状のケース内に収容するとともに、リボン状金属板の折
曲部をケースの長手方向に沿う溝に挿入していたため、
積層体外周面とケース内周面との間に隙間が形成されて
おり、またリボン状金属板の折曲部が変形することなど
によって、圧電板やリボン状金属板がずれ、圧電体とリ
ボン状金属板の板状部の中心を一致させて積層すること
が困難であった。これにより、変位量が減少したり、折
曲部の突出量が小さくなり、変位動作によって折曲部に
疲労破壊が生じ、長期の動作信頼性を得ることができな
いという問題があった。

【０００５】本発明は、圧電体と板状部の中心を一致さ
せて積層することができ、これにより、圧電板外周面か
らの電極部材の連結部の突出量を充分確保でき、充分な
変位量を確保できるとともに電極部材の破損を防止でき
る積層型圧電アクチュエータを提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の積層型圧電アク
チュエータは、積層された複数の圧電板と、これらの圧
電板よりも小さい複数の板状部を連結部で連結した一対
の電極部材とを具備するとともに、前記圧電板間に前記
一対の電極部材の板状部をそれぞれ交互に介装し、か
つ、前記連結部を前記圧電板外周面から０．５ｍｍ以上
突出するようにアーチ状に折曲し、さらに前記圧電板外
周面に合致する形状の位置決め部を前記連結部根元に形
成してなるものである。

【０００７】また、本発明の積層型圧電アクチュエータ
は、積層された複数の圧電板と、これらの圧電板よりも
小さい複数の板状部を連結部で連結した一対の電極部材
とを具備するとともに、前記圧電板間に前記一対の電極
部材の板状部をそれぞれ交互に介装し、かつ、前記連結
部を前記圧電板外周面から０．５ｍｍ以上突出するよう
にアーチ状に折曲し、さらに前記圧電板および前記電極
部材の板状部に、該板状部を前記圧電板中央に位置決め
する貫通孔を形成してなるものである。

【０００８】

【作用】本発明の積層型圧電アクチュエータでは、連結
部根元に形成された位置決め部を、圧電板外周面に合致
させることにより、また、棒部材を圧電板および電極部
材の板状部の貫通孔に挿入することにより、圧電板の中
央に電極部材の板状部を確実に位置決めして製造するこ
とができる。そして、このように圧電板の中央に電極部
材の板状部を確実に配置できるため、アーチ状に折曲さ
れた連結部と圧電板外周面との距離を０．５ｍｍ以上に
確保することができ、変位動作による連結部の疲労破壊
を抑制し、長期の動作信頼性を得ることができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の積層型圧電アクチュエー
タを図１を用いて説明する。図において符号１１は円板
状の圧電板を示している。これらの圧電板１１はＰｂ
（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃（以下ＰＺＴと略す）を主成分とす
る焼結体からなる。

【００１０】圧電板１１を構成する圧電材料は、例え
ば、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電セラミッ
クス材料などが使用されるが、これに限定されるもので
はなく、圧電性を有するセラミックスであれば何れでも
良い。この圧電板１１を構成する圧電材料としては、圧
電歪み定数ｄ₃₃が高いものが望ましい。

【００１１】この圧電板１１の厚みは、小型化および高
い電界を印加するという点から、０．２〜０．６ｍｍで
あることが望ましい。

【００１２】そして、複数の圧電板１１が積層されて積
層体１２が形成されており、圧電板１１の間には２層の
導電性接着剤層１３が形成され、それらの導電性接着剤
層１３間には円板状の板状部１４が介装され、接合され
ている。これら板状部１４は連結部１５により連結さ
れ、一対の電極部材１６を構成している。つまり、正極
用の電極部材１６ａの板状部１４と負極用の電極部材１
６ｂの板状部１４が、圧電板１１の間に交互に介装さ
れ、正極用と負極用の電極部材１６の連結部１５は９０
度の角度をなして、圧電板１１の径方向に突出してい
る。連結部１５は圧電板１１の外周面からの距離Ａが
０．５ｍｍ以上となるように突出したアーチ状に折曲さ
れている。

【００１３】連結部１５を圧電板１１の外周面から０．
５ｍｍ以上突出するようにアーチ状に折曲したのは、圧
電板１１の外周面からの距離が０．５ｍｍよりも小さい
場合には、アクチュエータ作動時に連結部１５に応力が
作用し、破損する虞があるからである。連結部１５は圧
電板１１の外周面から１〜３ｍｍ、特には１〜１．５ｍ
ｍ突出することが望ましい。３ｍｍ以上突出すると積層
型圧電アクチュエータが大型化するからである。連結部
１５の幅は１ｍｍ以上が望ましい。積層体１２の上下面
には伸縮しない不活性体１７が接合されている。

【００１４】使用する電極部材１６は導電性を有するも
ので、例えば、銀、黄銅、銅、ステンレス等の金属が好
ましい。電極部材１６の厚さは、変位量に寄与しないた
めにできるだけ薄いもの、例えば１０〜５０μｍのもの
が好ましい。

【００１５】導電性接着剤層１３は、上記したように導
電性接着剤ペーストを圧電板１１に塗布し乾燥すること
によって形成されるが、この導電性接着剤ペーストは、
Ａｇ等の金属粉末とガラス成分を有し、４００〜６００
℃程度で溶融するものが望ましい。これは、積層時に加
圧加熱すると導電性接着剤ペーストに含有されているガ
ラス成分が溶融し、圧電板１１同士を強固に接合し、高
電界の繰り返し印加によって発生する界面での剥離など
を防止することができ、積層体の信頼性を向上できるか
らである。導電性接着剤ペーストは、特に、Ａｇ粉末を
７０〜９８重量％と、ＰｂＯ−ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃から
なるガラス成分２〜３０重量％とからなることが望まし
い。

【００１６】そして、電極部材１６の板状部１４として
は、他の電極部材１６との短絡や放電を防止するため
に、板状部１４が積層体１２の外周面に露出しないよう
に、圧電板１１より小さく形成されている。また、板状
部１４が圧電板１１の中央に位置決めされており、電極
部材１６の連結部１５の根元には図２に示すように、圧
電板１１の外周面に合致する形状の位置決め部２１が形
成されている。

【００１７】位置決め部２１は、圧電板１１の外周面方
向の部分が、この外周面形状と合致するように円弧状と
され、板状部１４と同心円状に形成され、位置決め部２
１外周の円弧は、圧電板１１の直径と同一とされてい
る。

【００１８】積層体１２の外周面は、所望によりシリコ
ンゴム、シリコン樹脂等の絶縁材により被覆される。

【００１９】このような積層型圧電アクチュエータは、
先ず、上面にガラス層を形成した不活性体１７を、８本
の棒部材２５により形成された円形の収容空間内に配置
する。円形の収容空間は圧電板１１の外形形状とほぼ同
一とされている。次に圧電板１１の両面にそれぞれ導電
性接着剤ペーストを塗布し、この導電性接着剤ペースト
を乾燥させ、焼き付ける。

【００２０】この後、不活性体１７の上部に電極部材１
６ａの板状部１４を配置するとともに、２本の棒部材２
５間に連結部１５を配置し、その根元に形成された位置
決め部２１を棒部材２５に当接する。次に、板状部１４
の上部に圧電板１１を配置し、この圧電板１１の上部に
電極部材１６ｂの板状部１４を配置するとともに、２本
の棒部材２５間に連結部１５を配置し、その根元に形成
された位置決め部２１を棒部材２５に当接する。これら
の作業を繰り返して所望の積層枚数を積層した後、下面
にガラス層を形成した不活性体１７をセットする。この
後加熱しながら加圧し、複数の圧電板１１を相互に接合
し、棒部材２５により形成された収容空間から積層体１
２を取り出す。

【００２１】次に、所望により作製された積層体全体を
デイッピング等の方法によりシリコンゴム等の被覆材で
被覆する。この後、電極部材１６ａ、電極部材１６ｂに
分極電圧を印加し、積層体全体を分極処理を行うことに
より積層型圧電アクチュエータが作製される。

【００２２】以上のように構成された積層型圧電アクチ
ュエータでは、連結部１５根元に形成された位置決め部
２１を、棒部材２５を用いて圧電板１１の外周面に合致
させることにより、圧電板１１の中央に電極部材１６の
板状部１４を確実に位置決めすることができる。このた
め、アーチ状に折曲された連結部１５を圧電板１１の外
周面から０．５ｍｍ以上確実に突出させることができ、
変位動作による連結部１５の疲労破壊を抑制し、長期の
動作信頼性を得ることができる。

【００２３】図３は、他の積層型圧電アクチュエータの
製造工程を示すもので、この積層型圧電アクチュエータ
では、圧電板３１および板状部３２には貫通孔３３、３
４が形成されており、棒部材３６に、圧電板３１と板状
部３２の貫通孔３３、３４を挿入することにより、圧電
板３１を積層するとともに、圧電板３１の中央に板状部
３２を配置することができる。よって、このような積層
型圧電アクチュエータでも、上記例と同様な効果を得る
ことができる。

【００２４】尚、圧電板１１、３１、板状部１４、３２
を円板状に形成したが、本発明では円板状に限定される
ものではなく、四角形等の多角形状に形成しても良い。

【００２５】

【実施例】

実施例１直径１３．７ｍｍ、厚さ０．３３ｍｍの円板状の圧電板
１１を形成した。この圧電板１１の両主面に、Ａｇ粉末
９７重量％、ＰｂＯ−ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃を主成分とす
るガラス３重量％の導電性接着剤層ペーストを１０μｍ
の厚みになるように印刷した後、１００℃にて乾燥し、
５２０℃で焼き付けた。

【００２６】厚さ２５μｍのＡｇ製薄板を用いて、直径
１２ｍｍの板状部１４と板状部１４を連結する長さ３ｍ
ｍ、幅３ｍｍの連結部１５とからなり、連結部１５の根
元に位置決め部２１を形成した電極部材１６を作製し
た。

【００２７】そして、上面にＰｂＯ−ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ
₃からなるガラスを塗布した圧電体からなる不活性体１
７を、図２に示すように、８本の棒部材２５により形成
された円形の収容空間内に配置した。

【００２８】この後、不活性体１７の上部に電極部材１
６ａの板状部１４を配置するとともに、２本の棒部材２
５間に連結部１５を配置し、その根元に形成された位置
決め部２１を棒部材２５に当接し、圧電板１１の中央に
板状部１４を配置した。

【００２９】次に、板状部１４の上部に圧電板１１を配
置し、この圧電板１１の上部に電極部材１６ｂの板状部
１４を配置するとともに、２本の棒部材２５間に連結部
１５を配置し、その根元に形成された位置決め部２１を
棒部材２５に当接し、圧電板１１の中央に板状部１４を
配置した。

【００３０】これらの作業を繰り返して、圧電板１１を
１００層積層して積層体１２を形成し、この上面に、下
面にＰｂＯ−ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃からなるガラスを塗布
した圧電体からなる不活性体１７を配置した。圧電板１
１と板状部１４とを交互に積層する際、正確な位置決め
を実現する為、積層用治具に圧電板１１外周の位置に８
本の棒部材２５を立て、位置決め部２１の外周面を棒部
材２５に合わせ、積層の進行と共に棒部材２５が上昇す
る様に制御して積層を行った。連結部１５は圧電板１１
外周面からの距離Ａが１．５ｍｍとなるように突出する
アーチ状に折曲した。

【００３１】この積層体１２の上部に約３ｋｇの重りを
乗せて、６００℃、３０分で加圧接合し、棒部材２５に
より形成された収容空間から積層体１２を取り出した。
位置決め部２１は、圧電板１１の外周面側が円弧状で板
状部１４と同心円状であり、直径が圧電板１１の直径と
等しくなるようにし、もう一辺を銀の円板連結部と平行
となし、連結部１５両側の突起を併せて幅Ｂが６ｍｍと
なる様にした。

【００３２】次に圧電板１１の外周面にシリコンゴムを
被覆した。これを８０℃のシリコンオイル中に置き、３
ｋＶ／ｍｍの直流電界を電極部材１６ａおよび電極部材
１６ｂに３０分間印加して分極処理を行ない、図１に示
すような積層型圧電アクチュエータを作製した。

【００３３】得られた積層型圧電アクチュエータの積層
精度を確認する為、作製したアクチュエータを長手方向
に切断して積層ズレを測定したところ、総ての板状部１
４の中心が圧電板１１の中心に対し０．１ｍｍ以内のず
れで積層できている事を確認した。また、連結部１５の
圧電板１１外周面からの距離Ａが１．０〜１．５ｍｍと
なっており、距離Ａはいずれも０．５ｍｍ以上であるこ
とを確認した。

【００３４】得られた積層型圧電アクチュエータに４０
０Ｖの直流電圧を印加した結果、３４μｍの変位量が得
られた。更にこのアクチュエータに０Ｖから＋４００Ｖ
の交流電界を５０Ｈｚの周波数にて５億回の連続動作し
ても電極部材１６の連結部１５の疲労破壊は見られず、
応力低減効果がある事が確認された。

【００３５】また本発明者等は、比較例として、位置決
め部２１を形成していない電極部材１６を用いる以外
は、上記例と同様にして積層型圧電アクチュエータを作
製し、積層ズレを測定したところ、板状部１４の中心が
圧電板１１の中心に対し最大０．６ｍｍのずれが生じて
おり、連結部１５の圧電板１１外周面からの距離Ａは
０．２〜２．０ｍｍと大きくばらついていた。

【００３６】この積層型圧電アクチュエータに対して、
４００Ｖの直流電圧を印加した結果、３２μｍの変位量
が得られた。更にこのアクチュエータに０Ｖから＋４０
０Ｖの交流電界を５０Ｈｚの周波数にて１０００万回連
続動作したところ電極部材１６の連結部１５に疲労破壊
が見られた。

【００３７】尚、変位量の測定は、試料を防振台上に固
定し、試料上面にアルミニウム箔を張り付けて、レーザ
ー変位計により、素子の中心部及び周囲部３箇所で測定
した値の平均値で評価した。

【００３８】実施例２貫通孔３３を形成した圧電板３１、貫通孔３４を形成し
た板状部３２を用い、治具として棒部材３６を用いて製
造する以外は、上記と同様にして、図３に示すような積
層型圧電アクチュエータを作製した。

【００３９】得られた積層型圧電アクチュエータの積層
精度を確認する為、作製したアクチュエータを長手方向
に切断して積層ズレを測定したところ、総ての板状部３
２の中心が圧電板３１の中心に対し０．２ｍｍ以内のず
れで積層できている事を確認した。また、連結部３５は
圧電板３１外周面からの距離Ａが１．０〜１．５ｍｍと
なっており、距離Ａはいずれも０．５ｍｍ以上であるこ
とを確認した。

【００４０】得られた積層型圧電アクチュエータに４０
０Ｖの直流電圧を印加した結果、３４μｍの変位量が得
られた。更にこのアクチュエータに０Ｖから＋４００Ｖ
の交流電界を５０Ｈｚの周波数にて５億回の連続動作し
ても電極部材３６の連結部３５の疲労破壊は見られず、
応力低減効果がある事が確認された。

【００４１】

【発明の効果】本発明の積層型圧電アクチュエータで
は、連結部根元に形成された位置決め部を、棒部材を用
いて圧電板の外周面に合致させることにより、または、
圧電板および板状部に形成された貫通孔に棒部材を挿入
することにより、圧電板の中央に電極部材の板状部を確
実に位置決めすることができる。このため、アーチ状に
折曲された連結部を圧電板の外周面から０．５ｍｍ以上
確実に突出させることができ、変位動作による折曲部の
疲労破壊を抑制し、長期の動作信頼性を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の積層型圧電アクチュエータを示す側面
図である。

【図２】図１の積層型圧電アクチュエータの製造工程を
示す斜視図である。

【図３】本発明の他の積層型圧電アクチュエータの製造
工程を示す斜視図である。

【符号の説明】

１１、３１・・・圧電板１２・・・積層体１４、３２・・・板状部１５、３５・・・連結部１６、３６・・・電極部材２１・・・位置決め部３３、３４・・・貫通孔

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】積層された複数の圧電板と、これらの圧電
板よりも小さい複数の板状部を連結部で連結した一対の
電極部材とを具備するとともに、前記圧電板間に前記一
対の電極部材の板状部をそれぞれ交互に介装し、かつ、
前記連結部を前記圧電板外周面から０．５ｍｍ以上突出
するようにアーチ状に折曲し、さらに前記圧電板外周面
に合致する形状の位置決め部を前記連結部根元に形成し
てなることを特徴とする積層型圧電アクチュエータ。
【請求項２】積層された複数の圧電板と、これらの圧電
板よりも小さい複数の板状部を連結部で連結した一対の
電極部材とを具備するとともに、前記圧電板間に前記一
対の電極部材の板状部をそれぞれ交互に介装し、かつ、
前記連結部を前記圧電板外周面から０．５ｍｍ以上突出
するようにアーチ状に折曲し、さらに前記圧電板および
前記電極部材の板状部に、該板状部を前記圧電板中央に
位置決めする貫通孔を形成してなることを特徴とする積
層型圧電アクチュエータ。